Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM

Transcript

1 Reţele de comunicaţii mobile Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM Scopul lucrării: a) Studiul tehnicii de modulaţie GMSK şi a avantajelor sale, comparativ cu alte tipuri de modulaţie adecvate transmisiunilor de date. b) Motivarea alegerii tipului de egalizare pentru sistemul de telefonie mobilă GSM în funcţie de caracteristicile canalului radio. 1. Introducere În sistemele celulare digitale trebuie îndeplinite următoarele cerinţe generale: utilizarea eficientă a benzii de frecvenţe; performanţe bune din punct de vedere al ratei erorilor (Bit error rate -BER); utilizarea eficientă a energiei electrice a mobilului; aplicabilitate în sistemele celulare; complexitate acceptabilă a implementării. O măsură a eficenţei modulaţiei este distanţa dintre canale, care trebuie să fie cât mai mică. Presupunând că suprapunerea spectrelor de radiofrecvenţă (RF) ale canalelor adiacente este interzisă, este necesară o separare între canale dată de: f s = B + 2Δf + ΔD, (1) unde B este lărgimea de banda ocupată de semnalul RF, Δf reprezintă deriva de frecvenţă a purtătorului, iar ΔD, variaţia frecvenţei datorată efectului Doppler. Lărgimea de bandă a transmisiei poate fi exprimată ca B = R d /m, unde R d reprezintă debitul datelor, iar m, eficienţa utilizării spectrale. În acest caz relaţia (1) poate fi scrisă: f s = (R d /m) + 2Δf + ΔD, (2) Pentru a micşora separarea între canale în sistemele de telefonie celulară, există următoarele posibilităţi: 1

2 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM 1) reducerea debitului în urma codării vocii; 2) micşorarea benzii de frecvenţe ocupate prin utilizarea unei modulaţii digitale eficiente şi creşterea valorii m; 3) reducerea deviaţiei de frecvenţă a purtătorului. Asupra deviaţiei de frecvenţă datorate efectului Doppler, nu se poate acţiona, ea depinzând doar de viteza de deplasare a terminalului mobil. Deriva frecvenţei purtătoare este dată de stabilitatea oscilatorului local. Ţinând cont de cerinţele de simplificare, miniaturizare şi reducere a consumului de energie, devine dificil de realizat un oscilator cu o stabilitate a frecvenţei mai mică de 10-6 /an, fără a utiliza tehnici speciale de stabilizare a frecvenţei. Astfel, presupunând o stabilitate a frecvenţei pentru două canale adiacente limitată la 2x10-6 /an se obţine o valoare Δf 2 khz la 900 Mhz. În aplicaţiile radio celulare, în care propagarea este multicale, m ia valori între 1bps/Hz si 2bps/Hz. Alegerea unei valori m>2 determină o degradare a BER. Pentru un canal de 25 MHz, cum este cel din GSM, debitul maxim al datelor poate fi între 22 kbps şi 45 kbps, pentru 1bps<m<2bps. Alegerea tipului de modulaţie şi a parametrilor de transmisie conduce, în sistemul GSM, la un debit de aproximativ 34 kbps/25hz. 2. Tehnici de modulaţie în sistemele celulare 2.1. Modulaţia PSK (Phase Shift Keying) Pentru modulaţia binară PSK (BPSK), semnalele se reprezintă sub forma: şi So(t) = Acos(ωt) - pentru 0 binar (3) S1(t) = A cos(ωt +π) - pentru 1 binar. Pentru modulaţia de tip M-PSK, sunt necesare M faze diferite, fiecare n (unde M=2 n ) biţi ai fluxului binar fiind codaţi ca un semnal unic, transmis sub forma: Asin (ωt +θj), j = 1 M. (4) 2

3 2.2. Modulaţia QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Reţele de comunicaţii mobile Dacă există 4 semnale, fiecare defazat cu 90, se poate afirma că există o modulaţie de tip QPSK. Fluxul de biţi de la intrare {d k }, d k =0, 1, 2, este recepţionat la intrarea modulatorului la viteza de 1/T biţi/s, fiind separat în două şiruri de date d I (t) şi d Q (t), ce conţin biţii pari, respectiv impari: d I (t) = d0, d2, d4,... d Q (t) = d1, d3, d5,... Pentru a obţine un semnal modulat QPSK, s(t), se modulează în amplitudine fluxurile de date în-fază şi în-cuadratură, cu un purtător de tip cosinus, respectiv sinus, astfel: s(t) = 1 di (t)cos(2πft + π/4) dq (t) sin(2πft + π/4) (5) 2 Utilizând proprietăţile funcţiilor trigonometrice, se poate scrie: s(t) = Acos (2πft + π/4 + θ(t) ). (6) Fluxul de date d I (t) modulează funcţia cosinus cu o amplitudine de ±1, fiind echivalent cu o deviaţie de fază a funcţiei cosinus cu 0 sau π; se realizează astfel o formă de undă de tip BPSK. În mod similar, fluxul de date d Q (t) modulează funcţia sinus, obţinându-se o formă de undă BPSK ortogonală pe funcţia cosinus. Prin însumarea acestor două semnale ortogonale, se obţine o formă de undă QPSK. Valorile pentru θ(t) = 0, -(π/2), π/2, π, reprezintă cele patru combinaţii posibile pentru d I (t) şi d Q (t): d I (t) d Q (t) θ -1-1 π π/2 1-1 π/

4 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM +1 d k do d 1 d 5 d 6 d 7-1 d 2 d 3 d 4 0 T 2T 3T 4T 5T 6T t d I +1 do d 6-1 d 2 d 4 0 2T 4T 6T t d Q +1 d 1 d 5 d 7-1 d 3 0 2T 4T 6T t Fig.1. Şirurile de biţi de date d I (t) şi d Q (t) Fiecare dintre cele patru faze ale purtătorilor reprezintă 2 biţi de date. Există astfel 2 biţi/simbol. Deoarece viteza simbolurilor pentru QPSK reprezintă 1/2 din cea a biţilor, se poate transmite un volum de date de 2 ori mai mare (în aceeaşi bandă de canal) decât în cazul BPSK. Această situaţie este posibilă datorită faptului că cele două semnale I şi Q, fiind ortogonale, se pot transmite fără a interfera între ele. În QPSK faza purtătorului se poate modifica numai la intervale de 2Ts. 4

5 Reţele de comunicaţii mobile Fig.2. Modulaţia QPSK 2.3. Modulaţia OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) Dacă două şiruri de biţi I şi Q sunt defazate cu τ=1/2 x durata unui bit, fluctuaţiile amplitudinii sunt minimizate, faza semnalului nemodificându-se niciodată cu 180. Modulaţia OQPSK se obţine din QPSK prin defazarea d Q cu τ faţă de şirul d I. Astfel, tranziţiile de fază posibile sunt de 0 şi 90 şi apar de 2 ori mai des, dar cu jumătatea intensităţii din QPSK. Deşi există încă fluctuaţii de amplitudine între emiţător şi receptor, în OQPSK acestea au o magnitudine mai mică decât în QPSK. d I +1 do d 6 d 2 d 4-1 -T 0 T 3T 5T d Q +1 d 1 d 5 d 7 d T 4T 6T Fig.3. Şirurile de biţi de date I şi Q defazate cu τ 5

6 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM Fig.4. Modulaţia OQPSK 2.4. Modulaţia MSK (Mimimum Shift Keying) Modulaţia MSK (Fig.5) se obţine din OQPSK prin înlocuirea impulsului rectangular cu unul sinusoidal (de jumătate de perioadă). Semnalul MSK este definit astfel: S(t) = d(t) cos (πt/2t) cos 2πft + d(t) sin (πt/2t) (7) În modulaţia MSK modificările de fază sunt lineare şi limitate la ±π/2 pe durata unui interval de bit, T. Deci, în comparaţie cu QPSK, MSK prezintă avantajul că, datorită modificării lineare a fazei, densitatea spectrală de putere are lobii laterali mai mici, ceea ce conduce la un control mai eficient al interferenţei între canalele adiacente (lobul central are însă o lăţime mai mare decât în QPSK) Modulaţia GMSK (Gaussian Mimimum Shift Keying) Un filtru trece jos (FTJ) cu caracteristica de tip Gaussian generează un semnal cu lobii laterali de amplitudine mică şi un lob principal mai îngust decât în cazul impulsului rectangular. Modulaţia cu un astfel de semnal este denumită GMSK. Există două moduri de a genera un semnal GMSK: - modulaţia cu deviaţie de frecvenţă (Fig.6); - modulaţia cu deviaţie de fază în cuadratură (Fig.7). 6

7 Reţele de comunicaţii mobile Fig.5. Modulaţia MSK 7

8 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM LPF Gaussian VCO m(t) Amplificat or Fig.6. GMSK implementat prin modulaţia cu deviaţie de frecvenţă Sin[c(t)] Q(t Amplificat or a(t LPF Gaussian b(t) dt c(t Cos[c(t)] 90 m(t) Procesor de semnal in banda de baza I(t) Oscilator I/Q Fig.7. GMSK implementat prin modulaţia cu deviaţie de fază în cuadratură Pentru a se exemplifica realizarea modulaţiei, se utilizează următorul şir aleator de date binare: {1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1,.} 8

9 Reţele de comunicaţii mobile Fig.8. Răspunsul trunchiat al FTJ cu caracteristică Gaussiană La trecerea datelor prin filtru se adaugă ISI (Inter Symbol Interference) interferenţa între simboluri, dacă la un moment oarecare de timp, prin filtru trece un număr N>1 biţi. Fig.9. Începutul secvenţei binare transmise prin filtru Pentru B N =0,5 (B N lărgimea de bandă normalizată), fiecare bit având o durată t = 2 x intervalul de bit, al doilea bit de date intră în filtru în momentul în care la ieşire se află jumătate din primul bit, al treilea intră când primul este scos complet la ieşire, etc. Astfel, primele impulsuri de formă Gaussiană pot fi reprezentate ca în Fig.10. 9

10 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM Fig.10. Impulsurile de formă Gaussiană reprezentând fluxul de date Aceste impulsuri sunt însumate, rezultând funcţia din Fig.11: Fig.11. Funcţia b(t) Funcţia b(t) este integrată în raport cu timpul, de la t la, pentru a obţine funcţia c(t), ca în Fig

11 Reţele de comunicaţii mobile Fig.12. Funcţia c(t) Odată obţinută funcţia c(t), cu ajutorul funcţiilor sinus şi cosinus sunt determinate semnalele I şi Q. Astfel: I(t) = cos [c(t)]; Q(t) = sin[c(t)] (8) Fig.13. Funcţia I(t) 11

12 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM Fig.14. Funcţia Q(t) Din cele două funcţii I(t) şi Q(t) se obţine, după modulatorul I/Q, semnalul m(t): m(t) = sin (2πf c t) I(t) + cos (2πf c t) Q(t) (9) unde f c este frecvenţa utilizată de oscilator. Semnalul m(t) (de tip GMSK) este reprezentat în Fig.15. Fig.15. Semnalul m(t) modulat GMSK 12

13 Reţele de comunicaţii mobile 3. Egalizarea canalului În condiţiile ideale un simbol transmis ar trebui să ajungă la receptor atenuat în mare măsură, dar nedistorsionat şi ocupând doar intervalul de timp care i-a fost rezervat. Situaţia reală din cauza mediului radio este diferită, simbolurile fiind distorsionate, astfel încât ocupă şi intervale de timp destinate altor simboluri, efectul purtând numele de interferenţă intersimbol (ISI- Intersymbol Interference). Situaţia este complicată în GSM de faptul că transmiţătorul însuşi contribuie la ISI. De aceea, în sistemul GSM pot fi deosebite două surse de ISI: 1. ISI necontrolată, introdusă de canalul radio; 2. ISI controlată introdusă deliberat de transmiţător. Problemele create de ISI, dar şi cele ale distorsiunilor de atenuare pot fi diminuate prin utilizarea unui egalizor. După cum se observă în Fig.16, funcţia de egalizare urmează demodulării în lanţul de recepţie. Fig.16. Receptor digital O primă problemă în realizarea egalizorului o reprezintă modelarea canalului. Standardele GSM definesc trei tipuri de modele: 13

14 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM arie rurală (RA Rural Area), cu răspunsul cel mai puţin ostil dintre cele standardizate, răspuns ce decade rapid în intervalul unui bit şi având un comportament corespunzând unei singure căi de propagare; nu necesită egalizor Viterbi; teren cu dealuri (H Hilly Terrain), prezintă o secţiune cu întârziere mică datorită reflexiilor locale şi o secţiune cu întârziere mare (cca. 15μs), putând fi considerat un model cu două-trei căi de propagare; tipic urban (T Typical Urban), în care răspunsul se împrăştie pe durata a 5ms (ceea ce este egal cu aproape două intervale de bit 2x3,69ms), creând probleme serioase în ceea ce priveşte ISI. Odată stabilit modelul de canal ce va fi utilizat, egalizorul va folosi un filtru cu funcţia de transfer inversă în raport cu modelul, astfel încât la ieşire distorsiunile să fie reduse. Modelul trebuie să fie adaptiv, permiţând modificarea parametrilor săi în funcţie de starea reală a canalului radio. Pentru a permite egalizorului să creeze un estimat al funcţiei de transfer a canalului, în fiecare pachet (burst) trimis pe canalul radio este inclusă o secvenţă de antrenare a egalizorului (Fig.17). Aceasta secvenţă este cunoscută la recepţie şi prin compensarea ei cu secvenţa reală recepţionată se poate determina modul în care canalul afectează transmisia. Fig.17. Structura pachetului (burst) TDMA Secvenţa de antrenare este inserată în mijlocul pachetului pentru ca distanţa dintre secvenţă şi biţii utili să fie cât mai mică. Funcţia de autocorelaţie a secvenţei este ilustrată în Fig.18. Sunt definite 8 secvenţe de antrenare, alese astfel încât corelaţia dintre ele sa fie cât mai mică. Motivul pentru care sunt definite 8 secvenţe este evitarea confuziei între pachetele transmise pe canale ce utilizează aceeaşi frecvenţă şi interferă datorită distanţei mici între celulele în care sunt utilizate. 14

15 Reţele de comunicaţii mobile Fig.18. Funcţia de autocorelaţie a secvenţei În GSM au fost propuse două tipuri de egalizoare neliniare, unul bazat pe estimarea secvenţei de maximă plauzibilitate (MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation), ce foloseşte algoritmul Viterbi şi celălalt - pe egalizorul cu decizie în buclă. În lucrarea de faţă va fi exemplificat doar primul tip. Schema de principiu a egalizorului Viterbi este cea din Fig.19. Egalizorul trebuie să îndeplinească următoarele sarcini: 1. generează propriile versiuni ale secvenţelor de date ce ar putea fi emise de către transmiţător; 2. calculează datele pachetului de intrare corespunzând fiecăreia dintre secvenţele posibile la transmiţător; 3. compară pachetul de intrare efectiv recepţionat cu cele calculate; comparaţia se face pe baza unei matrici calculate la fiecare pas al algoritmului; 4. selectează secvenţa de date generată local cu cea mai mare posibilitate de a fi chiar secvenţa transmisă. Fig.19. Egalizorul Viterbi 15

16 Modulaţia şi recepţia în sistemul de telefonie mobilă GSM Egalizarea pe baza principiului MLSE nu ar fi posibilă fără algoritmul Viterbi, care reduce drastic volumul calculelor şi al memoriei necesare. 4. Desfăşurarea lucrării 4.1. Se apelează programul Gsmlab.exe şi se selectează modulatorul apăsând butonul Modulator for Gaussian MSK. Este posibil studiul a trei tipuri de modulaţie, BPSK, MSK şi GMSK, care pot fi selectate din caseta combo. După selectarea tipului modulaţiei se pot afişa: faza semnalului înainte şi după formarea spectrală, frecvenţa semnalului modulat şi semnalul RF modulat prin apăsarea butonului Update Se selectează modulaţia BPSK şi se urmăresc caracteristicile semnalului modulat BPSK. Se repetă operaţia pentru modulaţiile MSK şi GMSK Se afişează spectrele de frecvenţă ale semnalelor modulate apăsând butonul Show/Hide Spectrum asociat fiecărui tip de modulaţie şi apoi se compară acestea Se revine la schema bloc. Se selectează receptorul apăsând Receiver MLSE. Se marchează butonul radio AWGN Channel, şi se completează puterea zgomotului în caseta alăturată. Se vor testa valorile 0.5W, 1.0W, 2.0W şi 3.0W. Puterea zgomotului este dată pentru toată banda, nu numai pentru banda obţinută dupa filtrare. Testele pot fi realizate pentru canale radio fără zgomot sau cu diferite tipuri de zgomot. Exceptând cazul în care se selecteaza opţiunea fără zgomot (butonul radio No noise channel ), zgomotul AWGN se îmsumează cu semnalul util pentru toate celelalte tipuri de canale radio Se selectează egalizorul Viterbi de tip 645 din caseta combo Equlizer type şi se efectuează un set de simulări, cu 200 rulări/simulare, pentru canalul radio caracterizat doar de zgomot AWGN Se alege canalul radio cu o singură cale de propagare (butonul radio One rau Rayleigh fading ) şi se completează puterea primei surse de zgomot Rayleigh 1. Se vor testa aceleaşi valori ca la testul AWGN. Se compară BER cu cea obţinută anterior. 16

17 Reţele de comunicaţii mobile 4.7. Se selectează canalul radio cu două căi de propagare (butonul radio Two ray Rayleigh fading ) şi se completează puterile ambelor surse de zgomot 0.5. Apoi se completează o putere constantă a zgomotului AWGN, şi se trasează graficul BER, funcţie de întârziere. Se analizează efectul întârzierii asupra performanţelor receptorului. Unitatea pentru întârziere este de 12/bit, şi de aceea se vor executa simulări pentru 0, 12, 24, 36, 48. Se va nota valoarea pentru care se obţine performanţa maximă Se testează şi celelalte tipuri de receptoare incluse în caseta combo Equlizer type. Se pot efectua testele şi pentru cazul în care nu se efectuează o filtrare trece bandă la intrarea în receptor prin invalidarea opţiunii BPF before demodulation. 5. Intrebări şi comentarii 5.1. Să se calculeze densitatea spectrală de putere a semnalului modulat BPSK 5.2. Daţi alte exemple de utilizare algoritmului Viterbi Efectuaţi o analiză calitativă a corelaţiei între caracteristicile semnalelor modulate BPSK, MSK şi GMSK şi spectrele de frecvenţă ale aceloraşi semnale. 17